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CN110721055B - 下肢助行外骨骼机器人的控制方法及外骨骼机器人 - Google Patents

下肢助行外骨骼机器人的控制方法及外骨骼机器人 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种下肢助行外骨骼机器人的控制方法及外骨骼机器人，其中，控制方法，包括：检测腿部关节的角度；检测外骨骼机器人和用户的整体的质心的位置；检测步行过程中足底的压力，包括右腿足底承受的第一压力F1以及左腿足底承受的第二压力F2；当所述质心的位置、所述腿部关节的角度和所述足底的压力满足预设条件时，控制所述下肢助行外骨骼机器人按照预定的步态相位顺序切换步态相位。本发明通过检测腿部关节角度以及人体姿态变换，使助行外骨骼机器人能够根据用户的具体运动情况对腿部进行驱动，实现准确的步态切换，提高助行外骨骼机器人对人体的配合度和穿戴者运动的灵活性。

Description

下肢助行外骨骼机器人的控制方法及外骨骼机器人
技术领域
本发明属于外骨骼机器人领域，尤其涉及一种下肢助行外骨骼机器人的控制方法及外骨骼机器人。
背景技术
下肢助力外骨骼机器人是一种新型的可穿戴式智能设备，它将机械系统的“体力”和人类的“智力”集成到一个系统中，机械系统成为人身体的一部分，这样穿戴者就能够完成仅凭人体自身条件无法完成的任务，提高人体的运动能力和负重能力。
现有的下肢助力外骨骼机器人，一般只能控制外骨骼的行走与暂停，对于步行过程中的中间相位没有做处理，没根据环境交互等实时情况进行行走状态调整与切换，如从左脚着地到右脚离地等过程的判断。这样人穿戴行走若没有及时转移重心会很容易摔倒。
因此，现有技术还有待发展。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种下肢助行外骨骼机器人的控制方法及外骨骼机器人，旨在解决现有的外骨骼机器人对于步行过程中的中间相位没有做处理，没根据环境交互、穿戴行走时容易摔倒的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明是这样实现的，一种下肢助行外骨骼机器人的控制方法，包括：
一种下肢助行外骨骼机器人的控制方法，包括：
检测腿部关节的角度；
检测外骨骼机器人和用户的整体的质心的位置；
检测步行过程中足底的压力，包括右腿足底承受的第一压力F1以及左腿足底承受的第二压力F2；
当所述质心的位置、所述腿部关节的角度和所述足底的压力满足预设条件时，控制所述下肢助行外骨骼机器人按照预定的步态相位顺序切换步态相位。
进一步地，所述质心的位置为：所述质心在行走的平面上的实时投影坐标。
进一步地，所述步态相位包括如下，且切换时按照如下顺序依次切换并循环；
相位2：左腿支撑，右腿摆动；
相位3：双腿支撑，右腿在前；
相位4：右腿支撑，左腿摆动；
相位5：双腿支撑，左腿在前。
进一步地，当F1-F0≤A，且根据所述腿部关节的角度判断右腿向前弯曲时，控制所述下肢助行外骨骼机器人由相位2切换至相位3；
当F2-F0≤A，且根据所述腿部关节的角度判断左腿向前弯曲时，控制所述下肢助行外骨骼机器人由相位4切换至相位5；
其中，F0为腿处于摆动态下，预设的足底所承受的压力阈值，A为预设的步态压力差阈值，A＞0。
进一步地，以两腿连线的中点为参考点，当所述质心的位置偏离所述参考点在设定的阈值B内，且根据所述腿部关节的角度判断右腿向前弯曲时，控制所述下肢助行外骨骼机器人由相位3切换至相位4；
当所述质心的位置偏离所述参考点在设定的阈值B内，且根据所述腿部关节的角度判断左腿向前弯曲时，控制所述下肢助行外骨骼机器人由相位5切换至相位2。
进一步地，当所述质心的位置、所述腿部关节的角度和所述足底的压力满足预设条件时，控制所述下肢助行外骨骼机器人按照预定的步态相位顺序切换步态相位，之前还包括：
检测当前的步态相位，所述步态相位还包括：
相位1：双腿支撑，站立；
相位6：双腿支撑，坐姿。
进一步地，以两腿连线的中点为参考点，当所述质心的位置偏离所述参考点在设定的阈值C内，且根据所述腿部关节的角度判断两腿弯曲角度为0时，判断当前相位为相位1。
进一步地，所述相位1与所述相位6之间的切换，以及所述相位1和所述相位5之间的切换，是由外部设备控制切换。
一种外骨骼机器人，包括腰部、与所述腰部连接的腿部，以及与所述腿部连接的鞋部，
所述腰部连接所述腿部的关节处、以及所述腿部的大腿、小腿之间的关节处均设置有角度检测传感器和驱动机构，所述鞋部设置有压力传感器；
所述角度检测传感器，用于检测所述腿部关节的角度；并根据所述角度和人机整体的质量计算质心的位置；
所述压力传感器用于检测步行过程中足底的压力，包括右腿足底承受的第一压力F1以及左腿足底承受的第二压力F2；
所述驱动机构，用于当所述质心的位置、所述腿部关节的角度和所述足底的压力满足预设条件时，控制所述下肢助行外骨骼机器人按照预定的步态相位顺序切换步态相位。
本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明通过检测质心变化以及大腿部弯曲角度，使助行外骨骼机器人能够根据用户的具体运动情况对腿部进行驱动进行准确的步态切换，提高助行外骨骼机器人对人体的配合度和穿戴者运动的灵活性。
附图说明
图1是本发明的下肢助行外骨骼机器人模型。
图2是本发明的一种下肢助行外骨骼机器人的控制方法实施例的流程图。
图3是本发明的步态相位的划分及切换示意图。
图4是本发明的一种下肢助行外骨骼机器人实施例的功能模块图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
下肢助力外骨骼机器人是一种新型的可穿戴式智能设备，本发明将机器人的两条腿分别抽象为二连杆机构，将用户的上肢躯干简化成一个位于腰部中间的质点M0，如图1所示，外骨骼机器人包括腰部1、与所述腰部1连接的腿部2，以及与所述腿部2连接的鞋部3，腿部2抽象为由大腿部21和小腿部22组成的二连杆机构。
基于该模型，本发明提供了一种下肢助行外骨骼机器人的控制方法实施例，如图2所示，包括步骤S1-S4：
S1、检测腿部关节的角度。
测量腿部关节的角度，例如腿部和腰部的关节、大腿和小腿的关节。具体可在驱动关节处设置角度传感器或编码器，以实时测量驱动机构运动输出的角度信息。
S2、检测外骨骼机器人和用户的整体的质心的位置。
人体及机器人的重量通过腰部横杆及腿部连杆结构传递到地上。将人体上半身、大腿、小腿分别简化成质量块，通过左右腿髋关节和膝关节的角度(α1和α2)、人体腰部弯曲角度及机器和人体的质量估算，利用连杆的力学分析，可以算出人机一体的质心M1在地面投影的实时位置。
S3、检测步行过程中足底的压力，包括右腿足底承受的第一压力F1以及左腿足底承受的第二压力F2。
具体的，可以在鞋部设置压力传感器，用于实时测量双腿承受的压力。
S4、当所述质心的位置、所述腿部关节的角度和所述足底的压力满足预设条件时，控制所述下肢助行外骨骼机器人按照预定的步态相位顺序切换步态相位。
假设地面(行走的平面)是xy平面，步行方向为+y方向，左脚到右脚的方向为+x方向，则质心投影在地面的方向可以用来判断人体的行走意图。当人体属于站姿状态，完全直立，则质心应该在双脚中心处，以此为零点。若发生大腿部的弯曲使得计算的质心投影在+Y轴方向某处，对于超过零点到某一阈值，则可以认为人体意图向前行走。对于质心在x轴方向的转移，并且双腿承受的压力发生明显改变时，可以认为质心向支撑腿偏移。因此当质心向-x方向转移时，则支撑腿为左腿，右腿开始运行摆动态轨迹。在确定支撑腿后，若大腿部的弯曲角度大于等于预设的阈值时，则认为本次行走的步态已经完成，然后切换步态相位，进行下一步行走。
本发明通过检测质心变化、足底的压力以及大腿部弯曲角度，使助行外骨骼机器人能够根据用户的具体运动情况对腿部进行驱动进行准确的步态切换，提高助行外骨骼机器人对人体的配合度和穿戴者运动的灵活性。
进一步的，本发明根据人体步态规律，将步态相位划分为如图3所示的四阶段，且切换时按照图示顺序依次切换并循环。四阶段的步态相位如下：
相位2：左腿支撑，右腿摆动。
相位3：双腿支撑，右腿在前。
相位4：右腿支撑，左腿摆动。
相位5：双腿支撑，左腿在前。
本发明的上述步态相位划分更符合人体生物力学规律，并且可以根据质心位置、腿部关节的角度和足底的压力进行相位的定义和步态相位的切换，本实施例中，步态摆动和支撑相之间的切换稳定，防止人质心不稳摔倒。
基于上述实施例，本发明提供了另一种下肢助行外骨骼机器人的控制方法实施例，其中，行走过程中上述相位切换的方法为：
相位2切换至相位3：当处于相位2时，左腿支撑，右腿摆动。该相位下，质心位于-x轴并靠近左脚，右大腿为摆动状态，弯曲角度可以是正角度、负角度或零。当F1-F0≤A，且右腿向前弯曲(即α1＞0)，控制所述下肢助行外骨骼机器人由相位2切换至相位3。其中，F0为腿处于摆动态下，预设的足底所承受的压力阈值，理论上摆动态足底压力为0，但实际上由于较小的交互和形变，F0略大于0；A为预设的步态压力差阈值，A＞0，可根据实际情况设计。
相位3切换至相位4：当处于相位3时，双腿支撑，右腿在前；该相位下，质心的位置位于两腿连线的中点附近，以该中心为参考点，当所述质心的位置偏离所述参考点在设定的阈值B内，且根据所述腿部关节的角度判断右腿向前弯曲，即质心由中点附近移动至x向接近原点位置，在+y方向位于大概二分之一步长处(可根据实际需要设定阈值)，具体可根据实际情况进行设定，右腿为向前弯曲(即α1＞0)，此时，控制所述下肢助行外骨骼机器人由相位3切换至相位4。相位4切换至相位5：当处于相位4时，右腿支撑，左腿摆动；该相位下，质心位于+x轴并靠近右脚，左腿为摆动状态，弯曲角度可以是正角度、负角度或零。当F2-F0≤A，且左腿向前弯曲,即α1＞0，控制所述下肢助行外骨骼机器人由相位4切换至相位5。
相位5切换至相位2：当处于相位5时，双腿支撑，左腿在前；该相位下，质心的位置位于两腿连线的中点附近，以该中心为参考点，当所述质心的位置偏离所述参考点在设定的阈值B内，且根据所述腿部关节的角度判断左腿向前弯曲，即质心由中点附近移动至x向接近原点位置，在+y方向位于大概二分之一步长处，具体可根据实际情况进行设定，左腿为向前弯曲(即α1＞0)，此时，控制所述下肢助行外骨骼机器人由相位5切换至相位2。
以上为步行过程中相位2→相位5的循环切换过程，按照此过程进行循环，实现步行。本实施例通过检测质心变化、腿部关节的角度以及足底的压力，使助行外骨骼机器人能够根据用户的具体运动情况对腿部进行驱动，实现准确的步态切换，提高助行外骨骼机器人对人体的配合度和穿戴者运动的灵活性。
此外，本发明还可以设置步行之外的相位，分别为站立和坐姿，具体如图3所示，包括：
相位1：双腿支撑，站立。
相位6：双腿支撑，坐姿。
具体的，当质心的位置位于两腿连线的中点附近，以该中心为参考点，当所述质心的位置偏离所述参考点在设定的阈值C内，且根据所述腿部关节的角度判断两腿弯曲角度为0，则判断当前相位为相位1。当质心在x向位于接近原点位置，在-y方向位于接近大腿长度处，两腿弯曲角度为接近90°，则判断当前相位为相位6。使用过程中，相位1与相位6之间的切换，以及相位1和相位5之间的切换，均可通过外部设备控制切换，例如控制按钮、触摸屏或移动设备间接控制。当机器人位于相位6坐姿状态，外部设备可以控制机器站立，但在坐姿情况下强行发送行走的指令不会被执行，因为实际应用中，坐姿状态下无法行走。同理行走中直接到坐姿也不可能。这些都可以根据实际情况设定相应的逻辑进行控制。
相位1切换至相位2的切换方式如下：位于相位1时，双腿支撑，站立。该相位下，质心位于零点附近。若质心发生指向性转移，如在y方向朝+y向移动超过一定阈值，则认为人体出现行走意图，此时外骨骼相位由相位1切换至相位2。
关于阈值B和阈值C的说明，理想情况，相位1站立姿态和相位3相位5前后支撑姿态，质心处于中点两腿连线的中点位置(即参考点)。而实际应用过程，这3个相位状态，质心相对参考点可能存在一定的偏差，因此只要偏差在设定的阈值范围内，并且符合相位中其他条件，均可以认为处于相应的相位状态，可根据实际情况对阈值进行设置。
基于前述模型，本发明还提供了一种外骨骼机器人，如图1和图4所示，包括腰部1、与所述腰部1连接的腿部2，以及与所述腿部2连接的鞋部3，腿部2可以抽象为由大腿部21和小腿部22组成的二连杆机构。所述腰部1连接所述腿部2的关节处、以及所述腿部2的大腿部21和小腿部22的关节处均设置有角度检测传感器10和驱动机构30，所述鞋部3设置有压力传感器20；各传感器及驱动机构均与主控制器40通讯连接。
所述角度检测传感器10，用于检测所述腿部2关节的角度，包括腿部1与腰部2之间的关节，以及大腿21和小腿22之间的关节，并根据所述角度和人机整体的质量计算质心的位置；所述压力传感器20用于检测：步行过程中足底的压力，包括右腿足底承受的第一压力F1以及左腿足底承受的第二压力F2；所述驱动机构30，用于当所述质心的位置、所述腿部关节的角度和所述足底的压力满足预设条件时，控制所述下肢助行外骨骼机器人按照预定的步态相位顺序切换步态相位。
上述实施例中，外骨骼机器人具体的步态切换原理及方法可参考前文所述，本发明不再赘述。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种下肢助行外骨骼机器人的控制方法，其特征在于，包括：
检测腿部关节的角度；
检测外骨骼机器人和用户的整体的质心的位置；
检测步行过程中足底的压力，包括右腿足底承受的第一压力F1以及左腿足底承受的第二压力F2；
当所述质心的位置、所述腿部关节的角度和所述足底的压力满足预设条件时，控制所述下肢助行外骨骼机器人按照预定的步态相位顺序切换步态相位；
所述步态相位包括如下，且切换时按照如下顺序依次切换并循环；
相位2：左腿支撑，右腿摆动；
相位3：双腿支撑，右腿在前；
相位4：右腿支撑，左腿摆动；
相位5：双腿支撑，左腿在前；
以两腿连线的中点为参考点，当所述质心的位置偏离所述参考点在设定的阈值B内，且根据所述腿部关节的角度判断右腿向前弯曲时，控制所述下肢助行外骨骼机器人由相位3切换至相位4；
当所述质心的位置偏离所述参考点在设定的阈值B内，且根据所述腿部关节的角度判断左腿向前弯曲时，控制所述下肢助行外骨骼机器人由相位5切换至相位2。
2.如权利要求1所述的下肢助行外骨骼机器人的控制方法，特征在于，所述质心的位置为：所述质心在行走的平面上的实时投影坐标。
3.如权利要求1所述的下肢助行外骨骼机器人的控制方法，其特征在于，当F1－F0≤A，且根据所述腿部关节的角度判断右腿向前弯曲时，控制所述下肢助行外骨骼机器人由相位2切换至相位3；
当F2－F0≤A，且根据所述腿部关节的角度判断左腿向前弯曲时，控制所述下肢助行外骨骼机器人由相位4切换至相位5；
其中，F0为腿处于摆动态下，预设的足底所承受的压力阈值，A为预设的步态压力差阈值，A＞0。
4.如权利要求1所述的下肢助行外骨骼机器人的控制方法，其特征在于，当所述质心的位置、所述腿部关节的角度和所述足底的压力满足预设条件时，控制所述下肢助行外骨骼机器人按照预定的步态相位顺序切换步态相位，之前还包括：
检测当前的步态相位，所述步态相位还包括：
相位1：双腿支撑，站立；
相位6：双腿支撑，坐姿。
5.如权利要求4所述的下肢助行外骨骼机器人的控制方法，其特征在于，以两腿连线的中点为参考点，当所述质心的位置偏离所述参考点在设定的阈值C内，且根据所述腿部关节的角度判断两腿弯曲角度为0时，判断当前相位为相位1。
6.如权利要求4所述的下肢助行外骨骼机器人的控制方法，其特征在于，所述相位1与所述相位6之间的切换，以及所述相位1和所述相位5之间的切换，是由外部设备控制切换。
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